Твердотільна електроніка. Біполярні транзистори презентация

студентів знань у області напівпровідникових приладів та особливостей їхнього застосування в електронних схемах.
У результаті вивчення дисципліни студенти повинні:
розширити свій науково-технічний кругозір в області елементів електронної техніки; придбати знання, необхідні інженеру, що займається експлуатацією пристроїв і систем промислової електроніки.
Після засвоєння матеріалу навчальної дисципліни студент повинен:
ЗНАТИ:
– фізичні принципи роботи приладів твердотільної електроніки що є основою їх функціонування;
– параметри і характеристики різних напівпровідникових приладів і елементів інтегральних мікросхем, необхідні для забезпечення їх штатних режимів роботи;
- експлуатаційні особливості та можливі застосування;
- типові аналогові та цифрові схемотехнічні рішення.

© Опанасюк А.С.

год./10,5 кредитів (4/6,5)
Лк. – 40 год./20, практ. – 20 год./20 лаб. роб. – 20 год./20
ПМК - 1 семестр, ДСК - 2 семестр
Шкала оцінювання: R=100 балів
Нарахування балів:
присутність на лекції 20 ⋅ 1=20 балів
практичні заняття 10 пр. ⋅ 1,5 бали/пр.=15 балів
(з них 0,5 балів за присутність на практичному занятті та 1 бал за виконання завдань)
лабораторні заняття: 5 лаб. зан. ⋅ 4 бали/лаб. = 20 балів
(1 бал за присутність на лабораторній роботі та 3 бали за захист лабораторної роботи)
модульні контролі: 3 ⋅ 15=45 балів

© Опанасюк А.С.

двома або кількома p-n − переходами, який має три або більше відводів і здатний підсилювати потужність.
Робота БТ ґрунтується на тому, що між його переходами існує взаємодія: змінюючи струм одного з переходів, можна керувати зміною cтруму іншого переходу (струмом через прилад). Малі розміри і маса, здатність працювати при малих напругах, висока механічна міцність, довговічність і зручність мікромініатюризації зумовили найширше використання цих приладів у електроніці впродовж останніх десятиріч.
КЛАСИФІКАЦІЯ ТРАНЗИСТОРІВ
За характером перенесення носіїв заряду розрізняють біполярні (БТ) та польові (ПТ) транзистори.
БТ – це здебільшого двоперехідні прилади, у процесі струмо­проходження яких беруть участь носії обох знаків: і основні, і неосновні.
У ПТ струм створюється рухом носіїв одного знака.
За кількістю переходів розрізняють одноперехідні, двоперехідні та багатоперехідні транзистори. Серед БТ найбільш поширені транзистори з трьома виводами тобто двох перехідні.
За типом провідності (послідовність розміщення напівпровідникових областей) розрізняють p-n-p − та n-p-n  − транзистори.
За характером розподілу атомів домішок та руху носіїв у базі розрізняють дрейфові та бездрейфові БТ.
За величиною допустимої потужності, що розсіюється на електродах приладу, транзистори поділяють на малопотужні (до 0,3 Вт), середньої потужності (від 0,3 до 1,5 Вт) та потужні (більше 1,5 Вт).
За значенням граничної частоти розрізняють БТ: низькочастотні (до 3 МГц), середньої частоти (від 3 до 30 МГц) та високочастотні (більше 30 МГц).

11336.919-81. В основу системи позначень покладений літеро-цифровий код.
Згідно з ГОСТ система позначень транзисторів налічує 6 елементів:
Перший елемент (цифра або літера) позначає вихідний напівпровідниковий матеріал, на основі якого виготовлений транзистор.
Другий елемент (літера) визначає підклас (або групу) транзисторів.
Третій (цифра) - основні функціональні можливості транзистора.
Четвертий (​​цифра) - позначає порядковий номер розробки технологічного типу транзистора.
П'ятий (​​літера) - умовно визначає класифікацію за параметрами транзисторів, виготовлених за єдиною технологією.
Шостий (цифра) – додатковий елемент позначення.








.

Для позначення вихідного матеріалу використовуються наступні символи:

Г, або 1, - германій або його сполуки;

К, або 2, - кремній або його сполуки;

А, або 3, - сполуки галію (арсенід галію)

І, або 4, - сполуки індію

- біполярні і П - польові транзистори Для позначення найбільш характерних експлуатаційних ознак транзисторів застосовуються такі цифри:
для транзисторів малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором, не більше 0,3 Вт):
1 - з граничною частотою коефіцієнта передачі струму або максимальною робочою частотою (далі граничною частотою) не більше 3 МГц;
2 - з граничною частотою 3 ... 30 МГц;
3 - з граничною частотою більше 30 МГц;
для транзисторів середньої потужності (0,3 ... 1,5 Вт):
4 - з граничною частотою не більше 3 МГц;
5 - з граничною частотою 3 ... 30 МГц;
6 - з граничною частотою більше 30 МГц;
для транзисторів великої потужності (більше 1,5 Вт):
7 - з граничною частотою не більше 3 МГц;
8 - з граничною частотою 3 ... 30 МГц;
9 - з граничною частотою більше 30 МГц.
Для позначення порядкового номера розробки використовують двозначне число від 01 до 99.
Якщо порядковий номер розробки перевищує число 99, то застосовується тризначне число від 101 до 999.
В якості класифікаційної літери застосовуються літери російського алфавіту (за винятком 3, О, Ч, И, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Е).
http://fb.ru/article/136334/markirovka-tranzistorov---kakaya-ona-byivaet-tipyi-parametryi-i-harakteristiki-tranzistorov-markirovka

Як додаткові елементи позначення використовують такі символи: цифри від 1 до 9 - для позначення модернізацій транзистора, що призводять до зміни його конструкції або електричних параметрів; буква С - для позначення наборів у загальному корпусі (транзисторні збірки); цифра, написана через дефіс, для безкорпусних транзисторів:
1 - з гнучкими відводами без кристаллотримача;
2 - з гнучкими відводами на кристаллотримачі;
3 - з жорсткими відводами без кристаллотримача;
4 - з жорсткими відводами на кристаллотримачі;
5 - з контактними майданчиками без кристаллотримача і без відводів;
6 - з контактними майданчиками на кристаллотримачі, але без відводів.
Приклади позначень транзисторів: ГТ 605А – германієвий біполярний транзистор середньої потужності високої частоти широкого використання, номер розробки 05, група А; 2Т 144А – кремнієвий біполярний транзистор малої потужності низької частоти для пристроїв спеціального призначення, номер розробки 44, група А; КТ937А - 2 - кремнієвий біполярний, великої потужності, високочастотний, номер розробки 37, група А, безкорпусний, з гнучкими відводами на крісталлотримачі.
Біполярні транзистори, розроблені до 1964 р. і що випускаються до теперішнього часу, мають систему позначень, що включає в себе два або три елементи.
Перший елемент позначення - буква П, що характеризує клас біполярних транзисторів, або дві букви МП - для транзисторів в корпусі, що герметизуються способом холодного зварювання.
Другий елемент - дво- або тризначне число, яке визначає порядковий номер розробки і вказує на підклас транзистора за родом вихідного напівпровідникового матеріалу і значенням допустимої потужності, що розсіюється і граничної частоти:
від 1 до 99 - германієві малопотужні низькочастотні транзистори; від 101 до 199 - кремнієві малопотужні низькочастотні транзистори; від 201 до 299 - германієві потужні низькочастотні транзистори; від 301 до 399 - кремнієві потужні низькочастотні транзистори; від 401 до 499 - германієві високочастотні і НВЧ малопотужні транзистори; від 501 до 599 - кремнієві високочастотні і НВЧ малопотужні транзистори; від 601 до 699 - германієві високочастотні і НВЧ потужні транзистори; від 701 до 799 - кремнієві високочастотні і НВЧ потужні транзистори.
Третій елемент позначення (у деяких типів він може бути відсутнім) - літера, умовно визначає класифікацію за параметрами транзисторів, виготовлених за єдиною технологією.

для спеціальної або промислової апаратури позначають трьома літерами, за якими слід порядковий номер розробки, що складається з двох цифр. Напівпровідникові прилади для побутової апаратури позначають з двох літер, за якими слідує серійний номер з трьох цифр. В обох випадках технічне значення мають тільки перші дві літери, а решта вказують порядковий номер або особливе позначення приладу.
Перший елемент - означає вихідний матеріал (А - германій; В - кремній; С - арсенід галія; D - антімонід індію; R - сульфит кадмію).
Другий елемент - визначає підклас приладу (А - малопотужний діод; В - варикап; С - малопотужний НЧ транзистор; D - потужний НЧ транзистор; Е - тунельний діод; F - малопотужний ВЧ транзистор;
G - декілька приладів в одному корпусі; Н - магнітодіод; L - потужний ВЧ транзистор; М - датчик Холла;
Р – фотодіод, фототранзістор; Q - світлодіод; R - малопотужний регулюючий або перемикаючий прилад;
S - малопотужний перемикаючий транзистор; Т - потужний регулюючий або перемикаючий транзистор;
U - потужний перемикаючий транзистор; Х - помножаючий діод; Y - потужний випрямляючий діод;
Z - стабілітрон).
Третій елемент - цифри і літери: 100 ... 999 - прилади широкого застосування, Z10 ... A99 - прилади для промислової і спеціальної апаратури.
Четвертий елемент і п'ятий елемент - літери і цифри, що позначають - для стабілітронів - припустиму зміну номінальної напруги стабілізації (літера) і напругу стабілізації, В (цифра):
А = 1%; В = 2%; С = 5%; D = 10%; Е = 15%.
Для випрямних діодів, у яких анод з'єднаний з корпусом (R) - максимальну амплітуду зворотної напруги, В (цифра). Для тиристорів, анод яких з'єднаний з корпусом (R) - менше із значень максимальна напруга включення або максимальна амплітуда зворотної напруги, В (цифра).

асоціацій Electronic Industries of Japan, який є комбінацією між системами позначень JEDEC і Pro-Electron.
Умовне позначення складається з п'яти елементів:
Перший елемент - цифра, позначає вид (клас) напівпровідникового приладу: 0 - фотодіод, фототранзистор; 1 - діод; 2 - транзистор; 3 - тиристор.
Другий елемент - літера "S" означає "Semiconductor".
Третій елемент - літера, що позначає тип приладу: А - високочастотний транзистор з p-n-p переходом; В - низькочастотний транзистор з n-p-n переходом; С - високочастотний транзистор з n-p-n переходом; D - низькочастотний транзистор з p-n-p переходом; Е - діод Єсаки (чотирьохшаровий діод зі структурою p-n-p-n); F - тиристор; G - діод Ганна (чотирьохшаровий діод зі структурою n-p-n-p); Н - одноперехідний (не інжектуючий) транзистор; 1 - польовий транзистор з р-каналом; К - польовий транзистор з n-каналом; М - симетричний тиристор (семістор); Q - світлодіод; R - випрямний діод; S - слабкострумовий діод; Т - лавинний діод; V - варикап; Z - стабілітрон.
Четвертий елемент - позначає реєстраційний номер, починаючи з числа 11 ...
П'ятий елемент - літера (може бути відсутнім), позначає різні додаткові модифікації - "А" або "В"
Шостий елемент - додатковий індекс "N", "М" або "S", що показує ставлення до вимог спеціальних стандартів. У фотоприладах третій елемент маркування відсутній.

p−n переходами.
На рисунку схематично показано будову БТ p-n-p та n-p-n - типів та їх умовне графічне позначення.
Принцип дії транзисторів обох типів однаковий. Відміна полягає лише в полярності джерел зовнішньої напруги і в напрямі проходження струмів через електроди. Тому надалі будемо розглядати тільки транзистори p-n-p-типу, оскільки усі висновки щодо них справедливі і для транзисторів n-p-n- типу.

Середня область БТ називається базою. р - область, що відділена від бази p-n − переходом з меншою площею, називається емітером, а сам перехід називається емітерним переходом (ЕП). Аналогічно до цього, крайня справа p - область називається колектором, а перехід між ним та базою – колекторним переходом (КП).
Спосіб виготовлення сплавних малопотужних БТ низької частоти полягає у наступному.
До пластини кремнію n-типу з малим питомим опором (ρ = 1-1,5 Ом⋅см) з двох боків притискують два шматочки індію. Потім пластину поміщають у піч, в якій створюється вакуум до 0,013 Па, і підвищують температуру. Індій розплавляється, розчи­няється у сусідніх шарах кремнію і під дією сил поверхневого натягу набирає форми сферичного сегмента (рис.). Площа розплавленого індію визначає активну площу p-n − переходу. Після цього здійснюється охолодження всієї конструкції з постійною швидкістю. Внаслідок цього відбувається рекристалізація областей.

структурі тривалентні атоми акцепторної домішки і відповідно набувають провідності p-типу. Ці області утворюють з пластиною n –типу два p-n − переходи.
Менша з акцепторних областей, як правило, використовується як емітер, більша – як колектор.
Середня область з провідністю n-типу виконує функцію бази. Частина бази, що знаходиться безпосередньо між емітером та колектором, через яку проходять носії, називається активною.
До областей емітера та колектора припаюють нікелеві дротинки, які утворюють омічні контакти з індієм і відіграють роль відводів. Гнучкий відвід бази, припаяний до пластини кремнію, з’єднують з герметизованим металевим корпусом. Відводи емітера і колектора зварюють з гнучкими металевими стрижнями, які ізольовані від корпусу за допомогою скляних вставок.
При виготовленні транзистора здійснюються умови NAE>>NDБ, NAК>>NDБ, тобто робиться так, щоб концентрація дірок в областях емітера і колектора значно перевищувала концентрацію електронів у базі.
Крім того, ширина активної області бази має бути меншою від дифузійної довжини дірок: d

його електрод вважають вхідним, другий – вихідним, а третій, відносно якого вимірюють вхідну і вихідну напруги, - спільним.
Розрізняють такі схеми вмикання БТ: схема зі спільною базою ССБ (рис. а), схема зі спільним емітером ССЕ (рис. б) і схема зі спільним колектором ССК (рис. в).
Залежно від величини та полярності напруг на електродах приладу розрізняють такі режими роботи БТ:

Схема вмикання БТ

Режим відсічки (РВ). Обидва p−n переходи вмикаються у зворотному напрямі (рис. а). Запірні шари переходів розширюються, їх опори зростають, і через переходи протікають зворотні струми колектора IКБ0 та емітера IЕБ0. Це струми неосновних носіїв емітерної та колекторної областей – електронів, і оскільки концентрація цих носіїв невелика, струми ці незначні. Внаслідок різниці площ переходів SКП >SЕП для сплавних БТ IКБ0 >>IЕБ0. БТ закритий, вихідний струм некерований.
Режим насичення (РН). ЕП і КП вмикаються в прямому напрямі. Дірки інжектують у базу з емітера і колектора, створюючи великі струми насичення IКнас та IЕнас, що визначаються рухом основних носіїв р-областей. У базі відбувається накопичення неосновних нерівноважних носіїв, опір бази і всього БТ різко знижується. Транзистор у цьому режимі вважають відкритим і насиченим, вихідний струм – некерованим.
 Активний режим (АР). ЕП увімкнено в прямому напрямі, КП – у зворотному. Полярність напруг на електродах БТ, зображених на рис. в, відповідає цьому режиму. У колі емітера транзистора протікає струм IЕ за рахунок інжекції дірок з емітера в базу, а колекторний струм IК залежить від струму емітерного. Це основний режим роботи БТ як підсилювального приладу, коли вихідним струмом можна керувати за допомогою зміни вхідного струму.
 Інверсний режим. Це також режим керованого вихідного струму, однак ЕП увімкнено у зворотному напрямі, КП – у прямому.

рівноважному стані, б) в активному режимі

Ці процеси для одного типу носіїв заряду схематично показані на рис.

Схема, що ілюструє компоненти струму в біполярному транзисторі в схемі із загальною базою

у базі в цьому режимі. Протяжність бази визначається координатою х, тоді границя ЕП відповідає випадку x = 0, а границя КП – x = ω. При x = 0 концентрація дірок визначається за формулою наведеною вище. Концентрацію дірок у базі біля КП (x = ω) визначають за виразом

 

струм неосновних носіїв, який називається зворотним струмом колектора IКБ0. Цей струм проходить від “+” джерела UКБ через базу, КП, колектор до “-” UКБ. Оскільки напрям цього струму збігається з напрямом керованого колекторного струму IКкер, то можна записати для повного колекторного струму БТ у схемі зі спільною базою в активному режимі
IК= IКкер + IКнекер= h21БIE+ IКБ0,

де IКнекер = IКБ0 - некерована складова колекторного струму в ССБ.
З рисунка випливає, що загальний струм бази дорівнює
. IБ = IБрек + IEn - IКБ0 ≈ IБрек - IКБ0.
Струм емітера для транзистора можна знайти, враховуючи, що він має складові Ieр = h21БIE + Iбрек та IEn. Додавши і віднявши величину IКБ0, одержимо
. IE = h21БIE+ IБрек + IEn + IКБ0 - IКБ0.
Враховуючи формули що наведені вище нарешті одержимо вираз першого закону Кірхгофа для струмів електродів БТ у довільній схемі ввімкнення:
IE = IБ + IК.
З рівнянь випливає
IБ = IЕ - IК. = (1 - h21Б)IЕ- IКБ0.
Порівнюючи формули, можна зробити висновок, що рекомбінаційна складова струму бази
IБрек= (1 - h21Б)IЕ.
В активному режимі (1 - h21Б)IЕ > IКБ0 тобто напрям базового струму визначається рекомбінаційною складовою.

струми зростають швидше, ніж рекомбінаційні, і коефіцієнт перенесення ξ зростає, збільшуючи h21Б. При великих струмах емітера (ділянка III) значно зростає інжекційна електронна складова струму емітера IEn за рахунок електронів від джерела UEБ. Це приводить до зменшення частки діркового струму через ЕП, зменшується γ і, отже, коефіцієнт передачі транзистора h21Б.
Залежність h21Б - IE визначається зміною (моду­ля­цією) товщини бази (рис.), а також лавинним множенням носіїв у КП під час пробою. При збільшенні UКБ товщина запірного шару КП збільшується в напрямі базової області, оскільки NAE>>NДБ. Це супроводжується зменшенням активної ширини бази ω і, отже, збільшенням коефіцієнта перенесення ξ. При деякій напрузі UКБ = UКБпроб виникає пробій КП, лавинне помно­ження носіїв приводить до збільшення коефіцієнта ζ. Внаслідок цього, зростає і стає більшим за одиницю коефіцієнт передачі h21Б.

Залежність h21Б від напруги колектора

всі параметри (напруга, струми електродів) постійні. Статичні характеристики виражають залежність між струмом електрода і постійними напругами на електродах приладу.
Пристрій, який має два вхідні і два вихідні контакти і володіє властивістю підсилювати потужність електричних сигналів, що підводяться до нього, отримав назву активного чотириполюсника.
Транзистор можна представити чотириполюсником і виділити в ньому вхідне і вихідне коло.
При аналізі БТ у статичному режимі важливо встановити зв’язок між його струмами і напругами. З цією метою БТ можна подати як чотириполюсник, на вході якого діють комплексні вхідні напруга Uвх і струм Iвх, а на виході – комплексні Uвих і Iвих (рис.). Якщо чотириполюсник у загальному випадку нелінійний, тобто вхідні напруги і струм змінюються в широких межах, то функціональна залежність Uвих, Iвих від Uвх, Iвх описується в формі статичних характеристик.
Параметри чотириполюсника, які описують зв’язок між вхідними та вихідними величинами чотириполюсника в статичному режимі при малих змінах Uвх та Iвх змінюються лінійно і тому чотириполюсник у цьому режимі також вважається лінійним, а його параметри називаються малосигнальними.

БТ як чотириполюсник

Еквівалентна схема чотириполюсника:
а) БТ в схемі з загальною базою;
б) БТ у схемі із загальним емітером

систем параметрів чотириполюсника, що пов'язують між собою значення малих напруг та струмів на вході Uвх, Iвх та виході Uвих , Iвих. Найчастіше використовується так звана система h-параметрів.
Uвх = h11Iвх + h12Uвих
Iвих = h21Iвх + h22Uвих
Для визначення параметра h11 необхідно виміряти змінну напругу і струм на вході транзистора при змінній напрузі на його виході Uвих = 0. Цю умову легко виконати, замкнувши вихід конденсатором достатньо великої ємності. Для визначення h12 необхідно подати змінний сигнал Uвих на вихідні клеми чотириполюсника і виміряти напругу Uвх на його вході вольтметром з достатньо високим внутрішнім опором, так щоб можна було вважати, що Iвх=0. Параметр h12 таким чином є коефіцієнтом зворотного зв'язку по напрузі. Нарешті h21=Iвих /Iвх при Uвих =0, а h22 = Iвих /Uвх при Iвх = 0.
Таким чином характеристики і параметри БТ як чотириполюсника залежать від того, які напруги і струми беруться за аргументи, а які – за значення функцій. Найбільш поширеними є три системи характеристик і параметрів: y-, z- та h- системи (таблиця).

(так звана гібридна система) та саме їй приділяється максимальна увага в інженерній практиці, в довідниках та іншій спеціальній літературі, то надалі розглядатимемо саме її, тобто вивчатимемо систему статичних гібридних характеристик і малосигнальних h-параметрів.
Отже, в h-системі за аргументи беруться вхідний струм та вихідна напруга:

Uвх = f(Iвх, Iвих), Iвих = f(Iвх, Iвих),

У статичному режимі один з аргументів фіксується і БТ можна описати такими сім’ями характеристик:
Вхідних Uвх = f(Iвх)⎜Uвих=const; вихідних Iвх = f(Uвх)⎜Iвх=const,
зворотного зв'язку Uвх = f(Iвх)⎜Iвих=const; прямої передачі Iвих = f(Iвх)⎜Uвх=const.

На практиці зручніше користуватися вхідними оберненими характеристиками Iвх= f(Uвх)⎜Uвх=const. Останні дві сім’ї, що застосовуються рідше, ніж сім’ї вхідних і вихідних характеристик, можуть бути одержані з перших.
Розглянемо статичні гібридні характеристики БТ для кожної схеми ввімкнення окремо.

статичних характеристик БТ зі спільною базою

Статичні вхідні характеристики БТ зі спільною базою

характеристика зміщується вгору, в бік більших струмів емітера.
Причина цього зміщення:
 при збільшенні негативної UКБ зменшується активна ширина бази ω, зростає градієнт концентрації дірок у базі (рис.), і тому при незмінній напрузі UЕБ збільшується IЕ;
 при збільшенні запірної напруги UКБ на КП зростає зворотний струм колектора IКБ0, який, протікаючи через розподілений опір бази rБ, створює на ньому спад напруги зворотного зв’язку UЗЗ (рис.). Ця напруга, узгоджена з напругою UЕБ за напрямом, сприяє більшому відкриванню ЕП і зростанню внаслідок цього струму IE.
Під впливом перелічених причин у емітерному колі БТ при UЕБ і негативній напрузі на колекторі протікає невеликий струм емітера. Для того щоб його усунути, треба до емітера прикласти невелику негативну напругу.

Модуляція товщини бази БТ та її вплив на розподіл концентрації неосновних носіїв

Утворення напруги зворотного зв’язку на розподіленому опорі бази

спільною базою

Розподіл концентрації дірок у базі при знятті характеристик зворотного зв’язку БТ зі спільною базою

Сім’я характеристик прямої передачі БТ зі спільною базою

БТ у ССЕ показано на рисунку 1.
Вхідні характеристики
Це залежність IБ = f(UБЕ)⏐UКЕ=const (рис. 2).
При UКЕ=0 обидва p−n переходи транзистора ввімкнено в прямому напрямі (рис. 3), і вхідна характеристика є прямою гілкою ВАХ двох паралельно ввімкнених переходів.
При UКЕ<0 КП вмикається у зворотному напрямі, і в колі бази протікає струм
IБ= IБрек – IКБ0=(1 – h21Б)IE – IКБ0,
При   UБЕ=0 (IE = 0) струм бази має тільки одну складову – зворотний струм КП IБ=– IКБ0.
При збільшенні напруги UБЕ починає зростати струм IE, а разом з ним – рекомбінаційна складова струму бази IБрек = (1 – h21Б)IE. Струм IБ зменшується за модулем, оскільки IБрек спрямований у колі бази назустріч IКБ0. При деякій напрузі UБЕ струм бази дорівнює нулю. Подальше зростання струму бази зумовлене зростанням рекомбінаційної складової IБрек , яка починає перевищувати зворотний струм колектора IКБ0.
Унаслідок того, що струм IКБ0 невеликий, на більшості характеристик БТ зі спільним емітером у довіднику області негативних струмів бази не зображають.

Схема для експериментального зняття характеристик БТ зі спільним емітером

БТ зі спільним емітером при UКЕ=0

Статичні вхідні характеристики БТ зі спільним емітером

зі спільним емітером

 

зі спільним емітером

Характеристики зворотного зв’язку БТ зі спільним емітером

ССК IБ = f(UБК)⏐UЕК = const показано на рисунку.
При UБК >UEК ЕП включено у зворотному напрямі і через базу протікає лише зворотний струм колектора IКБ0. При UБК Вихідні характеристики транзистора зі спільним колектором IБ = f(UКT) при IБ=const майже нічим не відрізняються від вихідних характеристик схеми зі спільним емітером, тому що IБ ≈IК , а UEК=- U К E.

Статичні вхідні характеристики БТ зі спільним колектором

базою

Температурний дрейф вхідних характеристик БТ зі спільною базою

емітером

Вплив температури на вхідні характеристики БТ зі спільним емітером

невелика частина атомів основної речовини НП (власного НП). Завдяки цьому, в емітерній, колекторній і базовій областях БТ забезпечуються потрібні концентрації основних і неосновних носіїв. З підвищенням температури навколишнього середовища або при нагріванні транзистора струмами зростає число генерованих пар електрон-дірка. Внаслідок зростання концентрації носіїв електропровідність областей приладу збільшується, і його нормальна робота порушується. Практика доводить, що максимальна робоча температура германієвих БТ лежить у межах від +70 до +100 С. У кремнієвих транзисторів унаслідок більшої ширини ЗЗ енергія, необхідна для іонізації атомів основної речовини, виявляється більшою, ніж у германієвих, і тому максимальна робоча температура кремнієвих приладів може становити від +125 до +200 0С.
Мінімальна робоча температура БТ визначається енергією іонізації домішкових атомів та їх концентрацією. Як правило, ця енергія невелика (0,05 - 0,1 еВ), і з цієї точки зору БТ може працювати при мінімальній температурі -200 0С. Але фактична нижня границя температури обмежується термостійкістю корпуса і допустимими змінами параметрів, тому її величина становить, як правило, від -60 до -70 0С.

а) IE=0; б) IБ=0 в) UБT=IБRБ

Залежність пробивної напруги від  режиму  роботи БТ

БТ може виникнути вторинний пробій, який супроводжується різким зменшенням напруги колектора при одночасному збільшенні колекторного струму, і на вихідній характе­ристиці з’являється ділянка з негативним диференціальним опором (пунктирна крива на рисунку). Колекторний струм, при якому виникає вторинний пробій, зменшується зі збільшенням зворотної напруги UКЕ. Можливість виник­нення вторинного пробою залежить від опору навантаження БТ, а також від напруги живлення EK.
Розвиток вторинного пробою суттєво визначається локальними неоднорідностями транзисторної структури, які зумовлюють нерівномірний розподіл густини струму, місцевий нагрів, а потім і перегрів структури, що супроводжується проплавлянням бази.
Пробій змикання
Це пробій, зумовлений змиканням ЕП та КП. Розширення КП у бік бази внаслідок того, що концентрація домішок у базі нижча, ніж у колекторі, може привести до того, що при певній напрузі змикання КП заповнить собою всю базову область і з’єднається з ЕП. Транзистор при цьому втрачає свої підсилювальні властивості. Цей ефект має значення для БТ з дуже вузькою базою, у яких напруга змикання невелика і відповідає граничній допустимій напрузі колектора.

малосигнальних, параметрів. Розглянемо гібридні диференціальні параметри транзистора (h-параметри), оскільки саме вони найчастіше використовуються на практиці. У діапазоні низьких частот h-параметри установ­люють відповідність між малими амплітудами (приростами) струмів і напруг чотириполюсника (рис. 3.11). Ця відповід­ність описується такою системою рівнянь:

Umвх = h11Imвх + h12Umвих
Imвих = h21Imвх + h22Umвих

де h11 =Umвх/Imвх ⎢Umвх=0 - вхідний опір БТ, Ом; h12 =Umвх/Umвих ⎢Imвх=0 - коефіцієнт зворотного зв’язку БТ за напругою; h21 =Imвих/Imвх ⎢Umвих =0 - коефіцієнт передачі струму БТ; h22 =Imвих/Umвих ⎢Imвх =0 - вихідна провідність БТ, Ом-1.
За рівнянням на рисунку зображена формальна еквівалентна схема БТ у системі h - параметрів.

Формальна еквівалентна схема БТ у системі   h- параметрів

Зв’язок приростів вхідних і вихідних параметрів БТ можна найти з системи рівнянь виду

ΔUвх = h11 Δ Iвх + h12 Δ Uвих
Δ Iвих = h21 Δ Iвх + h22 Δ Uвих

чи інший аргумент (ΔIвх=0 тобто Iвх=const або ΔUвих=0 тобто Uвих=const).
Конкретні значення h-параметрів залежать від схеми включення транзистора, тобто від того, які струми і напруги є вхідними і вихідними. На відношення параметра до відповідної схеми вмикання БТ вказують індекси: “Б” – ССБ, “Е” – ССЕ, “К” – ССК. В довідниках звичайно приводять h- параметри, виміряні в CCБ для середньої смуги частот.
Для прикладу знайдемо h-параметри у схемі зі спіль­ним емітером, використовуючи статичні характеристики цієї схеми. Параметри h11E та h12E визначають за вхідними характеристиками (рис.):
h11E =ΔUБЕ/ΔIБ ⎢UКЕ=const; h11E =(U′БЕ –UБЕ0 )/ (I′Б –IБ0)⎢UКЕ= UКЕ0
h12E =ΔUБЕ/ΔUКЕ ⎢IБ=const; h12E =(UБЕ0–U″ БЕ )/ (UKЕ0–U″ KЕ )⎢IБ= IБ0
Параметри та визначають за вихідними характеристиками (рис. 2):
h21E =ΔIK/ΔIБ ⎢UКЕ=const; h21E =-(I′K –IK0 )/ (I′Б –IБ0)⎢UКЕ= UКЕ0
h22E =ΔIK/ΔUКЕ ⎢IБ=const; h22E =(I″K–IK)/(U ″ KЕ–U ″ KЕ0 )⎢IБ= IБ0
Для правильного визначення h-параметрів необхідно, щоб величини UКЕ0
(-5 В) та IБ0 і для вхідних, і для вихідних характеристик брались однаковими.
Знак “-” у формулі для визначення береться тому, що напрям струму
у транзисторі протилежний напряму струму у чотириполюснику.

Визначення параметрів h11E та h12E за вхідними статичними характеристиками БТ у ССЕ

Визначення параметрів h21E та h22E за вихідними статичними характеристиками БТ у ССЕ

оскільки кожній схемі ввімкнення БТ відповідають свої h-параметри. Значно простіше при аналізі транзисторних схем використовувати фізичні еквівалентні схеми транзисторів, які містять у собі фізичні (реальні) параметри БТ.
На рисунку показано Т-подібну фізичну еквівалентну схему транзистора зі спільною базою (для низьких частот). На схемі рисунка
rE =dUЕБ/dIБ ⎢UКБ=const – диференціальний опір ЕП; rК =dUКБ/dIК ⎢IE=const – диференціальний опір КП; rБ - опір бази; α=dIK/dIБ ⎢UКБ=const − диференціальний коефіцієнт передачі емітерного струму.
Опір rБ дорівнює сумі розподіленого опору бази та дифузійного опору: rБ = r′Б +r″Б
Розподілений опір бази r′Б відображає опір активної області бази, який значно більший, ніж опори ЕП та емітерної області. Значення цього опору зростає зі зменшенням ширини бази, тому що зменшується ймовірність рекомбінації в базі, і, отже, основна частина струму бази IБрек також зменшується. Частина вхідної напруги, прикладена до ЕП, спадає на опорі r′Б, і це знижує ефективність керування струмом у транзисторі.

Т-подібна еквівалентна схема БТ у ССБ

колекторної напруги на ширину бази внаслідок зміни товщини КП. Нехай, наприклад, напруга на колекторі збільшилася. Це приводить до зменшення ширини бази. Оскільки напруга UЕБ не змінилася, то струм емітера має залишитися постійним. Проте він збільшується внаслідок зростання градієнта концентрації дірок у базі. Для збереження IE=const потрібно зменшити концентрацію дірок рБЕ біля ЕП, тобто зменшити напругу на ЕП. Щоб напруга на ЕП зменшилася при незмінній напрузі UЕБ, опір бази має зрости на деяку величину r″Б (див. рис.).
Для ССЕ Т-подібна еквівалентна схема БТ має вигляд, показаний на рисунку. Ця схема також досить точно описує властивості приладу в діапазоні низьких частот. Значення параметрів Т-подібних фізичних еквівалент­них схем залежить від обраного режиму транзистора і не залежить від схеми його ввімкнення.
Безпосереднє вимірювання фізичних параметрів БТ неможливе, бо точка з’єднання опорів rБ, rЕ і rК знаходиться всередині кристала напівпровідника. Тому ці параметри розраховуються за допомогою формул, які зв’язують фізичні параметри з h-параметрами БТ (таблиця 3.5).

Т-подібна еквівалентна схема БТ у ССЕ

і формальною такий

α= - h21Б= h21Е /(1+h21Е),

rE= h11Б - h12Б (1+h21Б)/ h22Б= h12E/ h22E

rК= = 1/ h22Б = (1+h21Е)/ h22Е

rБ = r′Б +r″Б = - h21Б/ h22Б = h11Е - h12Е (1+h21Е)/ h22Е

Фізичні параметри БТ залежать від режиму роботи і температури.

емітерного струму

Залежність фізичних параметрів БТ від колекторної напруги

температури показана на рисунку.
Опір БТ rE лінійно залежить від температури. Коефіцієнт передачі струму α збільшується під час нагрівання, оскільки час життя носіїв зростає при збільшенні температури (і тому зростає дифузійна довжина дірок у базі LpБ і збільшується коефіцієнт перенесення).
Опір rK спочатку при підвищенні температури зростає? що забезпечується збільшенням α, а потім дещо зменшується внаслідок поверхневого витоку та ударної іонізації. Опір бази rБ спочатку зростає, оскільки зростає середній час життя носіїв, і, отже, зменшується струм IБ. Згодом, при кімнатній температурі за рахунок процесів термогенерації у слабколегованій базі збільшується концентрація основних носіїв, і опір бази стає меншим.

Залежність фізичних параметрів БТ від температури

схемах до його вхідного кола находять сигнали у формі змінної напруги, яка змінює вхідний та вихідний струми приладу. У цьому випадку БТ працює в динамічному режимі: зміна струму колек­тора IK у транзисторі відбувається внаслідок одночасної зміни вхідного струму (IE або IБ) і напруги на колекторі (UКБ або UКЕ).
Основним різновидом динамічного режиму БТ є підсилювальний режим.

ПІДСИЛЮВАЛЬНИЙ КАСКАД НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ
Схема зі спільною базою
Схема транзисторного підсилювача зі спільною базою зображена на рисунку.
За відсутності вхідного сигналу (Uвх=0) у вхідному колі БТ діє напруга спокою UЕБ0, створена за рахунок джерела ЕЕ, і протікає струм IE0 - емітерний струм спокою. У вихідному колі діють відповідно напруга UКБ0 (від джерела ЕK) і струм IK0. У колі бази UКБ0 = EK - IK0RK. Початковий режим БТ – активний.
При надходженні на вхід схеми сигналу Uвх = Umвхsinωt починається динамічний режим роботи БТ. Практично вся напруга Uвх = 0 падає на резисторі R1, і тоді напруга UEБ змінюватиметься за законом
UEБ = EK + Umвхsinωt .

Підсилювальний каскад на БТ зі спільною базою

на рисунку. Оскільки БТ працює в активному режимі, разом зі зміною UЕБ змінюватимуться емітерний IE, колекторний IK струми, а також напруга на колекторі UKБ (рис.). Колекторна напруга змінюється за законом

UKБ = EE – IK0RK + ImKRK sinωt .

З діаграм видно, що вхідна Uвх і вихідна Uвих напруги схеми не змінюються у фазі одна відносно іншої (каскад за схемою зі спільною базою не інвертує вхідного сигналу). Амплітуда Umвих може бути більша за амплітуду вхідного сигналу, якщо відповідно вибрати величину колекторного опору RK, тобто в цьому випадку каскад підсилює напругу. Процес підсилення полягає в перетворенні енергії джерела живлення EK в енергію вихідного сигналу. При цьому транзистор відіграє роль своєрідного регулятора, який керує струмом джерела. Величина і форма вихідної напруги залежать не тільки від величини і форми вхідного сигналу, величини RK, але і від вибору положення початкової робочої точки на характеристиках БТ (UEБ0, IЕ0, UКБ0, IК0).

Часові діаграми напруги і струмів транзисторного каскаду зі спільною базою

спільним емітером показана на рис.1, а часові діаграми пристрою – на рис.2. Режим спокою забезпечується двома джерелами EБ - (напруга UБЕ0 і струм IБ0) і EК (напруга UKЕ0 і струм IK0). Напруга колектора UKE0 = EK – IK0RK .
У режимі підсилення вхідного сигналу під час додатного півперіоду вхідної напруги пряма напруга ЕП транзистора зменшується, струм бази IБ та колектора IK також зменшуються, що викликає збільшення напруги ко­лектора UKE. Якщо робота відбувається на лінійній ділянці характеристики транзистора, то форми змінних складових струмів бази і колектора збігаються з формою вхідної напруги, а зміна напруги на колекторі, зумовлена змінною складовою колекторного струму, є протифазною відносно вхідної напруги. Отже, схема підсилювального каскаду на БТ зі спільним емітером є інвертувальною схемою. Як випливає з попереднього матеріалу, схема рис.1 здатна підсилювати не лише напругу, а і струм.

Часові діаграми напруги і струмів транзисторного каскаду зі спільним емітером

Підсилювальний каскад зі спільним емітером

у вхідному колі транзисторного каскаду може забезпечуватися не обов’язково за допомогою окремого джерела живлення EE або EБ. Частіше у каскадах застосовують лише одне джерело живлення – у колектор­ному колі. У таких каскадах замість вхідного джерела ЕРС використовують спеціальні ланцюжки автоматичного зміщення – пасивні ланцюжки, на яких струм, який протікає від джерела колекторної напруги EК, створює падіння напруги, що забезпечують потрібне положення робочих точок на характеристиках транзистора в режимі спокою.
Основною вимогою до каскадів з автоматичним зміщенням є забезпечення сталості обраного режиму спокою при зміні температури або зміні транзистора. Розглянемо деякі приклади.
Схема з фіксованим струмом бази
Схему зображено на рисунку

 

змінною складовою приводить до зменшення коефіцієнта підсилення каскаду, то з метою усунення цього зв’язку резистор R3 шунтується конденсатором C1.

Транзисторний каскад з температурною стабілізацією

спільною базою

вихідної характеристики (прямої) на сім’ю статичних вхідних характеристик і подальшого з’єднання цих точок у плавну монотонну криву. Але цей спосіб рідко використовується в інженерній практиці, тому що у довідниках, як правило, даються лише дві вхідні статичні характеристики – при нульовій і при ненульовій колекторних напругах. Тому із задовільною для практики точністю за вхідну навантажувальну криву можна взяти вхідну статичну характеристику, яка знімалася при ненульовій колекторній напрузі. Робоча точка спокою на вхідній навантажувальній кривій має координати: струм бази спокою IБ0 і напругу бази UБЕ0, яка викликає цей струм.
Параметри режиму підсилення та їх розрахунок за динамічними характеристиками транзисторного каскаду
До основних параметрів режиму підсилення транзисторного каскаду належать:
K1 = Imвих/Imвх - коефіцієнт підсилення за струмом
KU = Umвих/Umвх - коефіцієнт підсилення за напругою
KP= Pвих/Pmвх =KUKI - коефіцієнт підсилення за потужністю
Rвх= Umвих/Imвх - вхідний опір
Rвих= Umвих/Imвих - вихідний опір
Задача знаходження цих параметрів за динамічними характеристиками зводиться до знаходження вхідних і вихідних амплітуд змінних струмів і напруг транзисторного каскаду, які входять до формул.

транзисторного каскаду

бази

Частотні характеристики БТ у ССБ та ССЕ

схема БТ у ССБ на високих частотах показана на рисунку. На ній враховано вплив бар’єрної ємності КП СК на роботу транзистора. Дифузійна ємність увімкненого в прямому напрямі ЕП не враховується, тому що малий опір rE звичайно в десятки тисяч разів менший за опір КП rK, і тому опір rE шунтує ємність ЕП до дуже високих частот.
Змінна складова струму, створеного джерелом E, розгалужується на три гілки: через опір КП rK, через бар’єрну ємність КП СК і через опори rБ та RK. Оскільки rK великий, то струм через нього незначний. На низьких частотах реактивний опір ємності СК також великий, і струм через ємність майже не протікає. Але при збільшенні частоти опір ємності СК зменшується, і все більша частка струму від джерела E проходить через ємність. Для зменшення шунтувальної ємності треба зменшувати опір робочого кола rБ + RK, щоб виконувалась умова RK+ rБ << 1/ωCK
У граничному випадку вважаємо, що RK=0, і тоді rБ << 1/ωCK або rБ CK << 1/ω
З формули видно, що чим менший добуток rБ CK , тим на більш високих частотах може працювати БТ. Тому величина rБ CK є важливим частотним параметром транзистора і подається в довідниках.

Фізична еквівалентна схема БТ зі спільною базою на високих частотах

яких транзистор працює в ключовому (імпульсному) режимі. У цьому режимі на вхідний електрод БТ подається імпульсна напруга (струм) великої амплітуди, і тоді транзистор працює як комутатор, що має два граничні положення – замкнуте (режим насичення) і розімкнуте (режим відсічки).
Розглянемо нормально розімкнений електронний ключ на БТ, схему якого показано на рисунку. Цей ключ призначено для замикання і розмикання кола навантаження за допомогою імпульсів, що надходять від генератора сигналів керування. Опір RK вибирається з розрахунку, щоб вихідна навантажувальна пряма перетинала круту дільницю вихідних статичних характеристик (точка В на рисунку). Опір RБ в базовому колі керування, як правило, значно більший за вхідний опір транзистора. Внаслідок цього струм у базовому колі практично не залежить від величини вхідного опору транзистора (опору ЕП і розподільного опору бази rБ), і з великою точністю можна вважати, що керування роботою ключа здійснюється за допомогою струму бази.
За відсутності імпульсу керування під дією джерела Е транзистор перебуває у РВ, тобто у закритому стані, і робоча точка знаходиться на динамічній характеристиці (рис.2) у положенні А. При цьому струм бази IБ = - (IEБ0 + IКБ0) ~ - IКБ0, струм колектора IК = IКБ0, напруга на колекторі UKE = EK - IКБ0RK~ EK. Коло навантаження розірване, тому в такому стані довільний вхідний сигнал Uвх може без спотворення і послаблення пройти на вихід схеми, тобто транзистор не шунтує (не закорочує) цей сигнал на корпус.

Нормально розімкнений ключ на транзисторі

Переміщення робочої точки в ключовому (імпульсному) режимі транзистора

рисунку 3.60 а кривою для моменту . Концентрація неосновних носіїв у базі мала, опір бази і всього БТ великий.